CCD-Kameras und GPS
für astronomische Anwendungen

DGP-Fortbildungskurs für Physiklehrer

2004 / Bad Honnef

Dr. Frank Fleischmann

OES – Optische und elektronische Systeme GmbH

91349 Egloffstein

Sternwarte Feuerstein

91320 Ebermannstadt

GPS

NAVSTAR Global Positioning System

Übersicht

1. Geschichte

2. Theorie

3. Umsetzung

4. GPS aus Benutzersicht

5. Nutzung in der Astronomie

6. Zukunft

GPS - Überblick

Satellitengestütztes
Funk-Navigationssystem

24 Satelliten,

4 Bodenstationen,

beliebig viele Benutzer

Zur Zeit das genaueste System (Fehler von wenigen Millimetern)

GPS - Alternativen

GLONASS: Erdumspannendes (russisches) Satellitennavigationssystem, es ist unvollständig

Galileo: Geplantes Navigationssystem Europas, soll ab 2008 in Konkurrenz zum amerikanischen GPS treten, aber mit kompatiblen Satelliten

GPS - Geschichte (1)
Alte Navigationsmethoden

Landschaftsmerkmale/Gestirne

Unpräzise

Kompliziert

Funksignale (Boden-Boden)

Nur zweidimensionale Bestimmung

Technischer Aufwand

GPS - Geschichte (2)
Entwicklung

1960: Idee, Planungsbeginn (USAF)

1972: Erstes Testsystem

1978: Erster Satellit im All

April 1995: volle Funktionsfähigkeit

Kosten bis heute: ca. 12 Milliarden $

GPS - Theorie (1)
Positionsbestimmung durch Distanzmessung

Messung der Entfernung zu verschiedenen Satelliten

Schnittpunkt-
berechnung

GPS - Theorie (2)
Distanzmessung über Funksignale

Distanz = Geschwindigkeit × Zeit

Radiowellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus

Messen der zeitlichen Verschiebung zwischen empfangenem Signal und bekanntem Muster

GPS - Theorie (3)
Synchronisation

Satelliten sind untereinander synchronisiert (Atomuhren)

Empfänger nicht synchronisiert
Bestimmung eines	Korrekturfaktors

Ungenauigkeit

GPS - Theorie (4)
Fehlerquellen

Reflektion der Funksignale

Geschwindigkeits-
abweichungen
(Atmosphärische Einflüsse)

Ungenauigkeit in der Satellitenposition

Ungünstige Satellitenkonstellation (GDOP -Geometric Delusion of Precision)

GPS - Theorie (5)
Relativistische Fehlerquellen

spezielle Relativitätstheorie (Geschwindigkeit):
bei Beschränkung auf Messungen im Ruhsystem der Erde) überschätzt man die Zeitabläufe im Satelliten um etwa 0.835 ×10-8 Prozent (Frequenzen im Satelliten werden um denselben Prozentsatz unterschätzt)

allgemeine Relativitätstheorie:
bei Beschränkung auf Messungen im Ruhsystem der Erde) unterschätzt man die Zeitabläufe im Satelliten um etwa 5.28 ×10-8 Prozent (Frequenzen im Satelliten werden um denselben Prozentsatz überschätzt)

Summe:
Die Satellitenuhren verhalten sich so, als ob sie um 4.44 ×10-8 Prozent schneller gingen, als sie auf der Erde geeicht worden sind

Sagnac-Effekt (Erdrotation)

Während jeder Sekunde Meßzeit fiele ein Fehler der Positionsbestimmung in der Größenordnung von 13 Zentimetern an. Während einer Stunde wären das bereits fast 500 Meter

GPS - Umsetzung (1)
Anordnung der Satelliten

24 Satelliten in 6 Ebenen

21 aktive Satelliten, 3 Reserve

Umlaufbahn in ca. 22.000 km Höhe, nicht geostationär

Jederzeit sind von jedem Punkt der Erde (mindestens)
4 Satelliten sichtbar

GPS - Umsetzung (2)
Abstimmung der Satelliten

Überwachung durch 4 Bodenstationen

Position der Satelliten wird in einem Almanach zur Verfügung gestellt

ALMANAC FOR SATELLITE 1 :

PRN number for data ............. 1

Health of SV .................... 0

Reference Week of Almanac ....... 797

Eccentricity .................... 0.00346661

Corr: inclination angle (rad) ... 0.00388718

Mean Anomaly @ ref time (rad) ... 2.79387

Argument of Perigee (rad) ....... -1.31888

Rate right ascension (rad/sec) .. -8.01176E-09

Right ascension @ ref time (rad) -0.296182

Sqrt semi-major axis (m^1/2) .... 5153.58

Clock correction term 1 ......... 0.000148773

Clock correction term 2 ......... 7.63976E-11

Reference time almanac .......... 466944

Semi-Major Axis (meters) ........ 2.65594E+07

Corrected Mean Motion (rad/sec) . 0.000145862

Inclination angle (rad) ......... 0.95469

Auszug aus einem Almanach

GPS - Umsetzung (3)
Funksignale

Zwei Signale (spezifisch für den Satelliten)

C/A (Coarse Aquisition), Wiederholung jede Millisekunde

P (Precision), Wiederholung jede Woche

Beides Pseudo Random Noise (PRN)

Zwei Trägerfrequenzen

L1: 1.5 GHz, Übertragung von C/A und P

L2: 1.2 GHz, nur P

GPS - Umsetzung (4)
Militärische Nutzung

Dual-Receiver (Beide Frequenzen P-Code)

Genauigkeit

Best Case: 1m

Worst Case: 15m

GPS - Umsetzung (5)
Zivile Nutzung

Aus Sicherheitsgründen Beschränkung der Genauigkeit

Kein Empfang des P-Codes

Selective Availability (zufällige Störung der Präzision des C/A-Codes)
Kurz "SA": Künstliche Verfälschung der GPS-Signale durch das amerikanische Militär für den zivilen Nutzer. Die Zentimetergenauigkeit wurde hierdurch in den 100 m Bereich verfälscht. Seit dem 01.05.2000 nicht mehr in Betrieb, so dass Messfehler eines normalen GPS-Empfängers mittlerweile im Bereich von unter 10 m liegen

Genauigkeit: zufällig schwankend zwischen 15m und 100m

GPS - Umsetzung (6)
Differential GPS

Zusätzliche Bodenstation mit bekannten Koordinaten berechnet Korrekturterme aus empfangenem Satellitensignal

Genauigkeit: 1mm - 1cm

Nachteil: keine globale Verfügbarkeit mehr

GPS aus Benutzersicht (1)
Koordinatensysteme

Longitude/Latitude

Abbildung des ganzen Globus

Verschieden große Planquadrate

UTM

Unterteilung in 60 Zonen

In den Zonen gleiche Planquadrate
Ablesen der Entfernung

GPS aus Benutzersicht (2)
Einsatzmöglichkeiten heute

Auto-Navigationssysteme

Luftverkehr

Tracking von Transporten

Wandertouren

Rallies

Geodäsie

Astronomie

GPS aus Benutzersicht (3)
Produkte

Einfache GPS Empfänger ab 90EUR
Genauigkeit: 100m / 30m

Viel teurere Modelle können als DGPS Base Station dienen

Empfänger mit Kartenarchiv

PC-Anschluss

GPS aus Benutzersicht (4)
Spiele

"Degree Confluence Project" (DCP)

GPS - Astronomie

Technik

Ortsbestimmung des Teleskops

Zeitbestimmung (Nachführung)

Objekte

Veränderliche, Pulsare, Bedeckungen

Sonne, Mond, Planeten, Kometen

Erde-Mond, Geodäsie, Satelliten

Entfernung von Objekten

Theorie

Relativitätstheorie

GPS - Zukunft

Verbreitung der Technologie (aktuell)

Mobiltelefone

Zubehör für Laptops

PDAs

Orts-/Zeitbasis für Robot-Teleskope

Neue Anwendungsgebiete

Location Awareness

Neue Systeme

Gallieleo (27.02.2004 verabschiedet)

GPS - Quellen

http://www.gpsworld.com

http://www.trimble.com/gps

http://www.colorado.Edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html

http://members.aol.com/explorezwo/gps.htm

Letham, Lawrence: „GPS made easy“; The Mountaineers; Seattle, 1999

Vortrag –

OpenOffice / StarOffice / MS-Office

http://www.fonline.de/home/ff/freiz_as/page1.htm

GPS

2004-07-21T19:35:05